地下结构震害类型及机理研究

地下结构震害类型及机理研究
王秀英 刘维宁 张 弥
(北京交通大学土木建筑工程学院)
学科分类与代码:620 1030
摘 要 地下结构由于受到周围岩体或土体的约束,一直被认为具有良好的抗震性能。

但是,随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现,地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视,笔者通过对大量地下结构震害的分析研究,对地下结构震害进行了分类,并研究了震害的影响因素及机理,以期为地下结构的抗震设计提供科学依据和有益的参考。

关键词 地下结构 震害类型 震害机理
Study on the Categorization and Mechanism of Seismic Damage
of U nderground Structures
Wang Xiuying Liu Weining Zhang Mi
(School of Civ il&A rchitecture Engineer ing,Beijing Jiaotong U niversity)
Abstract: U nder ground structures,being confined by the surrounding rock or soil,have long been assumed to have g ood ant-i seismic ability.Ho wever,as the number of undergr ound structures and fr equency of seismic damage increase, earthquake professionals all over the world are mor e and more concerned about t his problem.A fter investig at ing t he seis-mic damag e of many underg round structures,the author suggests a method for categorizing these underground damage, and the influential facto rs and mechanism of seismic damage are studied.A ll these would prov ide scientific criteria and beneficial references to the ant-i seismic desig n of the under ground structures.
Key words: U nder ground structures Categor ization of Seismic Damage M echanism of Seismic damag e
1 引 言
地下结构由于受到周围岩体或土体的约束,一直被认为具有良好的抗震性能(相对于地面结构而言),因而在很长时期之内,对地下结构的震害问题远不如地面结构那样受到重视。

但是随着地下结构数量的增多和地下结构震害的频繁出现,地下结构的震害问题日益受到世界各国地震工作者的高度重视,特别是1995年日本阪神大地震后,由于神户市地铁结构发生严重破坏,引起众多地震学者的关注,使地下结构震害研究出现了前所未有的热潮。

笔者通过对大量地下结构震害的分析研究,对地下结构震害进行了分类,并研究了震害的影响因素及机理,以期为地下结构的抗震设计提供参考。

2 地下结构震害的主要类型
2.1 概 述
20世纪60年代以来,从我国地震历史的震害资料可知,我国约有1582km的铁路曾经受了7~11度地震的考验,当地震烈度为7度时,就有隧道发生轻微破坏的先例,而且洞身破坏极难修复,中断行车,造成巨大经济损失。

1983年5月19日,震中距上海市150km以外的洋面上发生里氏6级地震时,上海市打浦路管片隧道出现了5条可见裂缝,泥水挤入隧道与竖井的结合部,经及时堵塞,才未造成祸患。

1995年在日本阪神大地震中,地铁结构发生了很大破图1 神户高速铁道大开站的震害情况
坏,车站结构破坏尤为明显。

图1所示为神户高速铁道大开车站的震害情况,该车站用明挖法于1964年建成,中间柱(B400 D1000mm,3.5m)
第13卷第11期2003年11月 中国安全科学学报
China Safety Science Journal
V ol.13No.11
N ov.2003
约30根完全破坏,顶板下沉约3m,隧道断面变成M形。

隧道的中柱上端或下端混凝土剥落,钢筋弯曲。

在线路方向及垂直方向上,轴向钢筋鼓出,箍筋也有许多破坏的,在侧壁的隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏。

在阪神大地震中,山岭隧道也遭到了严重的破坏。

主要是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂。

许多建于20世纪60年代的隧道,由于设计时未考虑浅埋地层变形的影响,隧道结构的变形性能不能承受这次大地震,拱顶部分发生较严重的剪切裂纹及剥落,隧道横断面方向发生混凝土片的剥落。

如山阳新干线的六甲隧道,长16235m,横切六甲断层系,地震后隧道的水泥内壁有众多裂缝,裂缝长达数十米的地方有3处,隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝。

1999年9月21日,我国台湾省台中地区发生了里氏
7.3级地震,那次大地震造成2375人死亡,10000多人受伤,30000多座建筑物倒塌。

地震发生后,通过对台中地区57座山岭隧道进行调查,发现除了8座隧道未受损坏外,其余49座都有不同程度的损坏,而且表现出不同形式的损坏,如衬砌开裂、衬砌剥落、洞门破坏、地下水涌入、钢筋鼓出及弯曲、衬砌移位、底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌。

地下管线的震害也是一个不可忽视的问题,例如:
1975年海城地震中,营口市150多公里供水管道破坏372处,平均震害率为24处/公里,经一个多月抢修才恢复正常供水。

1976年唐山地震中,唐山市给水系统全部瘫痪,秦京输油管道发生5处破坏。

1985年墨西哥地震中,地震引起不同质材的各种管道均遭到破坏(其中包括钢管道),其中煤气干管断裂引起煤气爆炸,市政管网煤气管道断裂引起火灾,且因供水管网损坏,救火很困难。

1995年日本阪神地震中,神户市及阪神地区几座城市的供水系统和污水排放系统受到严重破坏,其中神户市供水系统完全破坏并丧失其基本功能。

2.2 地下结构震害的主要表现形式
通过对地下结构的震害进行调查分析,归纳出地下结构震害的主要表现形式有地下管道的破坏和隧道的破坏。

2.2.1 地下管道的破坏形式
地下管道主要由管段和管道附件(弯头、三通和闸门等)组成,地震时一般有3种基本破坏类型:
管道接口破坏;
管段破坏;
管道附件以及管道与其他地下结构连接处破坏。

其中以管道接口(或接头)破坏居多。

与管段本身强度相比,接口是抗震薄弱环节。

管道接口通常分刚性接口和柔性接口两种。

其中刚性接口有焊接、丝扣连接等,采用橡胶圈的承插式接口和法兰连接接口属于柔性接口。

震害表明,柔性接口的震害率明显低于刚性接口,其原因是前者可以产生较
大的变形,具有良好的延性。

接口破坏形式有接头拉开(或拔脱)、松动、剪裂、坍塌等。

管段的破坏形式有管段开裂(纵向裂缝、环向裂缝和剪切裂缝等)、折断、拉断、弯曲、爆裂,管体结构坍塌,管道侧壁内缩,管壁起皱等。

管道破坏率及破坏形式因管道材料、接头形式等管道本身特点而有差异,并与周围场地土壤条件有关。

2.2.2 隧道的破坏形式
(1)衬砌的剪切移位。

当隧道建在断层破碎带上时,常常会发生这种形式的破坏。

在 9 21 地震中,位于断层带上的一座输水隧道就发生了这种破坏。

由于断层的移位,该输水隧道在进水口下游180m处发生了剪切滑移,如图2所示,隧道在竖直方向分开4m,在水平方向分开3m,整个隧道发生严重破坏。

图2 衬砌剪切移位图
(2)边坡破坏造成的隧道坍塌,如图3所示。

图3 边坡破坏造成的隧道坍塌
(3)衬砌开裂。

在地震中,衬砌开裂是最常发生的现象。

这种形式的衬砌破坏又可分为纵向裂损(见图4)、横向裂损(见图5)、斜向裂损(见图6)、斜向裂损进一步发展所致的环向裂损(见图7)、底板裂损(见图8)以及沿着孔口如电缆槽、避车洞或避人洞发生的裂损(见图9)。

图4 衬砌纵向裂损图
(4)边墙变形。

如图10所示为由于显著的边墙向内变
56 中国安全科学学报
China Safety Science Journal
第13卷
2003年
图5 衬砌横向裂损图
图6 衬砌斜向裂损图
图7 衬砌环向裂损图
图8 底板裂损图
图9
孔口附近衬砌裂损图
图10 边墙变形
形造成的隧道破坏。

这种变形可以造成边墙衬砌的大量开裂,甚至导致边沟的倒塌。

2.3 地下结构震害的主要类型
通过对地下结构震害表现形式及具体发生条件的研究,人们将因地震造成的地下结构破坏分为两种类型:
一种是由于围岩变位而在地下结构中产生强制变形所
引起的破坏,如衬砌的剪切移位;
另一种是结构在地震惯性力作用下而产生的破坏。

其中,第一种类型的破坏多数发生在岩性变化较大、断层破碎带、浅埋地段或隧道结构刚度远大于地层刚度的围岩中;第二种类型的破坏多数发生在洞口附近,这时地震惯性力的作用表现的比较明显。

有时,在地下结构的洞口附近和浅埋地段可能还会受到
上述双重类型的破坏作用。

前述神户大开车站的破坏即属此种,由于竖向地震作用比较大,车站中部呈A 字形向上顶起,随之的反作用力将车站顶板向下压,形成V 形沉陷,结果中柱承受不了由此而产生的荷载,同时又由于地震时地层产生水平振动,地铁车站随之振动,而车站顶、底板处的地层水平位移不一致,在车站的顶、底板处产生相对位移,使中柱在剪切力和弯矩的作用下剪切破坏,两方面的综合作用使得柱子丧失承载力,导致顶板塌陷。

3 地下结构震害的机理分析
现场调查表明,地下结构震害形态的差异与地震强度、震源距、地震波的特性、地震力的作用方向、地质条件、衬砌条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等有密切关系。

根据以往地下结构在地震中所表现的行为可知,地震的主要或次要效应均可使隧道结构遭受破坏。

这些效应包括两个方面:
(1)围岩失稳,主要指围岩的变形、差异位移、震害和液化;
(2)地震惯性力,主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏。

因此,围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两种主要原因。

对于同一程度的大地摇动而言,如果仅论及结构的惯性力,地下结构要比地面结构安全的多。

这是因为地下结构处于周围地层的约束之中,并与地层一起运动。

因而,地下结构在地震运动过程中,仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载,而不像地面结构那样,承担全部的惯性力。

就地下结构的横截面而言,在岩石地层中,由于地下结构的质量密度和岩石相比并没有显著差异,所以,地下结构洞身遭受地震惯性力破坏的发生概率较低,而处于地层约束较弱的洞口及浅埋地段,破坏发生的概率一般较高。

洞身结构之所以有惯性力破坏的现象发生,主要是由于地下结构与
地层之间出现了较大的空隙而消弱了地层的约束作用,因而
57 第十一期 王秀英等:地下结构震害类型及机理研究
实际上相当于提高了衬砌结构的相对质量密度,造成其分担的地震惯性力超过了极限。

因此,实验和实测都表明回填密实有利于结构抗震。

在土质地层中,由于地下结构的刚度一般比地层大,往往形成对地层变形的约束。

因此,衬砌刚度越大,其吸收的变形能就越大,所以地下结构的震害往往表现为由于地层的地震动变形所致。

故此得出结论,衬砌越柔,越有利于抗震,这一点在铁道部科学研究院关于强地震作用下铁路隧道衬砌耐震性的试验研究中得到了充分的验证。

于是围岩自身的稳定性往往成为控制因素,因此,在地下结构抗震设计中,只验算地下结构本身的抗震稳定性是不够的,还需要验算围岩自身的地震稳定性。

就隧道结构的纵向而言,隧道是一种长线形结构物,地震波的相位衍生应力和变形在隧道轴线方向上会发生很大变化,这实际上构成了隧道结构破坏的重要方面,而且表现为埋深越浅,破坏作用越显著。

这可解释为,假设隧道和围岩在地震波通过时一起运动,且随着地震波的传播,振动能量沿隧道轴线从一点移动到另一点,则在隧道结构内部同时产生纵向的拉压和横向的剪切两种作用,如果这两种作用的结果超过隧道本身的抗力极限,那么结构自然就会产生破坏。

需要强调指出的是:这种地震破坏作用往往与惯性力的相关性不明显。

以往的研究表明,隧道结构抵抗这种相位衍生应力和变形的能力,并不因结构体的加强而有很大改变。

所以,隧道结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用,使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和相对变位,同时又不损害其承受静载的能力。

一味加强结构,试图让结构去抵抗相当大的强制变位所产生的内力是不现实的。

4 小 结
地下结构的震害表现形式多样,影响因素较多,机理复杂,人们对其认识的程度也在不断发展之中。

因此,要作好地下结构的抗震研究,笔者认为需要进行以下几方面的工作:
(1)建立既有地下结构的基本信息库。

包括地下结构所处位置的地形条件、地质条件、衬砌条件、隧道与围岩的相对刚度、施工方法、施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等。

建立该数据库可以使人们对震害的评价更准确、客观,而且也便于进行震害机理分析。

(2)建立统一的地下结构抗震设计体系。

地下结构的震害原因不同于地面结构,主要表现为围岩失稳破坏。

也就是说,对于地下结构,其抗震能力的重要问题在于围岩的地震变形和结构对于这种变形的适应性。

目前,国家不同行业的地下结构采用的抗震设计方法也不同:例如,核电站抗震规范规定,核电站地下结构应采用反应位移法或多点输入的近似地震动力分析进行检算;而铁路隧道的抗震设计一直沿用地震惯性模型进行抗震设计,这对于明洞和隧道的洞口部位比较合适,但对于隧道洞身部位,已经不能反映地震破坏的主要原因。

因此,充分研究地下结构的震害机理,建立统一的地下结构抗震设计体系已势在必行。

(3)笔者结合对震害形式和机理的研究,认为地下结构的抗震设计应该分3个部分考虑:
断层破碎带处的抗震设计; 洞口和浅埋段的抗震设计; 洞身结构的抗震设计。

(收稿:2003年2月;作者地址:北京市西外上园村;北京交通大学土木建筑工程学院;邮编:100044)
参考文献
1 胡聿贤.地震工程学.北京:地震出版社,1988
2 骆文海.强地震作用下铁路隧道衬砌耐震性研究.铁道科学研究院研究报告,1990
3 周德培.地铁抗震设计准则.世界隧道,1995(2):36~45
4 刘维宁等.高速铁路桥隧结构抗震措施研究.北方交通大学研究报告,1998
5 W.L.W ang,etal.Assessment of damage in mountain tunnels due to t he T aiwan Ch-i Chi Eart hquake.T unnelling and un -derground space technology ,2001(16):133~150
6 郑永来,杨林德.地下结构震害与抗震对策.工程抗震,1999(4):23~28
7 王瑞民,罗奇峰.阪神地震中地下结构的破坏现象浅析.灾害学,1998(2):63~66
58 中国安全科学学报China Safety Science Journal 第13卷
2003年。